DE1952407A1 - Lichtbogenschmelzofen - Google Patents

Description

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INSTIEtJiD DE RECHEROHES'DE IA SIDERURGIE PRANQAISE

185, rue President Roosevelt Saint Germain-en-laye (Yvelines) Prance

Idchtbogenschraelzofen

Die Erfindung betrifft einen Lichtbogenofen zum konti nuierlichen Schmelzen von festem Stoffen ,. mit senk recht angeordneten Elektroden, der mit einem zweiten Ofen über einen Kanal verbunden ist, durch den die Schmelze aus dem ersten Ofen in den zweiten Ofen gelangt»

Es ist bekannt, daß es bei der kontinuierlichen Her-

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Stellung von Metallen und insbesondere bei der Stahlerzeugung in einem elektrischen Schmelzofen vorteilhaft ist, das Verfahren in zwei Phasen und zwar jeweils in einem besonderen Ofen durchzuführen, um den Stromverbrauch zu senken und die Haltbarkeit der feuerfesten Auskleidung zu verbessern· Hierbei werden die Feststoffe in dem ersten Ofen bei einer !!temperatur geschmolzen« die möglichst nahe an der Liquidus-Temperatur liegt. Daraufhin wird'die Schmelze kontinuierlich über eine aus feuerfestem Material bestehende Leitung in einen zweiten Ofen übergeleitet, in welchem die Schmelze erhitzt wird und dieser gegebenenfalls Zuschlagstoffe zur Erzeugung einer bestimmten Zusammensetzung des Metalls beigegeben werden»

Dieses Verfahren macht die Überleitung der Schmelze in einer feuerfesten Leitung notwendig, um die kontinuierliche Überleitung des in dem Schmelzofen befindlichen Metalls in den Frischofen zu gewährleisten. Da jedoch die Temperatur der Schmelze in dem Schmelzofen verhältnismässig niedrig ist, so besteht die Gefahr, daß unter solchen thermischen Bedingungen die Schmelze zur Erstarrung neigt und die Leitung zwischen den beiden öfen verstopft.

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Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, dies mit Sicherheit zu vermieden«,

Bei einer Arcrdnung der vorgenannten Art, bei der einem Lichtbogenschmelzofen mit senkrecht angeordneten Elektroden zur kontinuierlichen Durchführung des Verfahrens ein zweiter Ofen nachgeschaltet ist« der mit dem ersten Ofen über eine Leitung verbunden ist, wird diese Auf«-' gäbe dadurch gelöst, daß die in der Wandung des Schmelz·= ofens vorgesehene öffnung der die beiden öfen miteinander verbindenden Leitung in einer Wandzone angeordnet ist, in der die Wärmestrahlung der Elektrode mit der großtun elektrischen Leistung die größte Aufheizung bewirkt.

Vorteilhafterweise weist die erfindungsgemäße Ofenanordnung eines oder mehrere der im folgenden aufgeführten Merkmale auf:

1. Die feuerfeste überlöuileitung und die Öffnung dieser Leitung umgebende Wandaone bestehen aus einem feuerfesten Werkstoff, der eine höhere thermische Wärmeleitfähigkeit aufweist als diejenigen feuerfesten

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Stoffe, die das Ofenfutter bilden.

2. Die aus dem feuerfesten Werkstoff mit höherer Wärmeleitfähigkeit gebildeten Teile sind gegenüber dem Außenrauo uafi der übrigen Ofenauskleidung durch Wandteile abgeschirmt bzw· isoliert, die eine geringere Wärmeleitfähigkeit aufweisen,,

3» Die Überlaufleitung ist nach oben mittels einer senkrechten Zwischenwand begrenzt, deren unteres Uncle in die Metallschmelze, eintaucht, v/obei diese Trennwand ebenfalls aus feuerfestem Werkstoff besteht_t dessen Wärmeleitfähigkeit größer ist al3 diejenige der das Ofenfutter bildenden feuerfesten Stoffe.

4. Ber die Elektroden speisende elektrische Stromkreis weist-Kittel auf, die-..zwischen dan Phasen der durch die Elektroden fließende Ströme nine Unsymmetrie hervorrufen und auf diese Weise die Leistung

derjenigen Elektrode vergrößern, die der Stelle der Überlaufleitung am nächsten gelegen ist.

Hieraus ist ersichtlich, daß man der Gefahr der Verfe-

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stigung der Schmelze in der überlaufleitung dadurch begegnet , daß man die Y/äriaestrahlung der. Elektrode mit der größten elektrischen leistung verwendet, um die Temperatur der Schmelze in der Uähe der Mündung der Überlaufleitung zu erhöhen und die Wandzone um diese öffnung herum zu erhitzen.

Der Erfindung liegt nun die Überlegung zugrunde, zur Erzielung dieses Effektes ein Phänomen zu verwenden, das bei allen mit drei Elektroden ausgerüsteten, mit Drehstrom betriebenen lichtbogenofen bekannt ist, aber als nachteilig empfunden wurde. Es ist sehr wohl bekannt, daß aufgrund der gegenseitigen Induktion in einem lichtbogenofen die von den einzelnen Elektroden freigesetzten elektrischen !Leistungen für alle drei Elektroden nicht gleich groß sind. Auch wenn man die Elektroden in üblicher V/eise in einem Dreieck anordnet, so wird von den äußeren Elektroden je nachdem eine größere oder auch geringere elektrische leistung freigesetzt als es der mittleren leistung entspricht. Man spricht hierbei von einer "wilden Phase" im Falle der Elektrode mit der größten leistung und von einer "toten Phase" für die andere Elektrode. Dieses Phänomen wird deshalb als nachteilig

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angesehen, weil es eine rasche Zerstörung des Ofenfut-' ters hervorruft, da in der Umgebung der "wilden Phase" sich besonders heiße Stellen ausbilden. Es sind daher schon !zahlreiche Vorschläge gemacht worden, um dieser P Phasenunsymmetrie entgegenzuwirken.

Demgegenüber wird diese natürliche Unsymmetrie der Wärmestrahlung bei den den Gegenstand der Erfindung bildenden Öfen verwertet und notwendigenfalls noch verstärkt, indem man auf eine Regelvorrichtung oder auf den Speisestromkreis einwirkt, um die von der"wilden Phase" ausgehende elektrische Leistung und demzufolge die Intensität . der Wärmestrahlung zu vergrößern, die auf die Überlauf- L· leistung und die sie umgebende Wandzone gerichtet ist. Die von der "wilden Phase" ausgehende Wärmestrahlung trifft einerseits die Oberfläche des Metalles, soweit . diese nicht mit Schlacke abgedeckt ist, und andererseits. die feuerfesten Teile der Überlaufleitung und die sie um~ gebeade Wandzöne. Auf dieae Weise erhält man in der in der Nähe der Mündung der Überlaufleitung gelegenen Strahlungszone eine Schmelze höherer Temperatür sowie eine gleichmäßige Aufheizung der die Überlaufleitung bildenden feuerfesten Teile und auf die Weise eine Verringerung

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der Wärraeverluste der aus dem ersten Ofen ausfließenden Schmelze, wodurch die Gefahr sich In der Leitung absetzender erstarrter Metallteile vermieden wird.

Wenn die Metallschmelze mit einer Schlackenschicht bedeckt ist, so kann sie selbstverständlich durch die Strahlung der "wilden Phase" nicht erhitzt werden. Weist die Ofenanordnung jedoch an der Stelle der Überlaufleitung eine senkrechte! fest oder auch beweglich angeordnete Trennwand auf, deren Aufgabe es ist, die Schlacke in dem Schmelzofen zurückzuhalten und deren unteres Ende in die Metallschmelze hineinreicht und somit in gutem wärmeleitenden Kontakt mit der Schmelze steht, so fließt von dem der Wärmestrahlung der"wilden Phase" ausgesetzten und daher auf einer höheren Temperatur befindlichen Seil dieser Trennwand ein Wärmestrom in die Schmelze, die sich im wesentlichen auf der Liquidus-Temperatur oder einer dieser benachbarten Temperatur befindet, so daß die in den zweiten Behälter fließende Metallschmelze erwärmt wird.

In beiden Fällen, bei von Schlacke entblößter und mit Schlacke bedeckter Oberfläche der Metallschmelze, erhält man auf diese Weise eine wesentliche Erhöhung der Metall-

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schmelze in diesem Bereich, so daß die Gefahr einer Verstopfung der Überlaufleitung durch sich absetzende erstarrte Metallteile vermieden wird.

Den Wärmeübergang zwischen den feuerfesten Teilen des. Ofens und der Metallschmelze kann man dadurch noch verbessern, indem man die Überlaufleitung, die der Hündung der Überlaufleitung benachbarten Wandteile und auch die senkrechte Trennwand aus einem feuerfesten Werkstoff großer Wärmeleitfähigkeit herstellt* In einem solchen ITaIl ist es jedoch notwendig bzw. zweckmäßig, diese Teile gegenüber dem den Ofen umgebenden Außenraum und der übrigen Ofenauskleidung mittels aus feuerfestem Werkstoff bestehenden Zwischenschichten zu isolieren, die eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Um den Aufheizungseffekt noch zu vergrößern, kann man die Unsymmetrie zwischen den Phasen noch absichtlich vergrößern und dadurch die von der "wilden Phase" ausgehende Leistung steigern. Dies kann entweder durch Einwirken auf die Phasenregelvorrichtung oder durch Verändern der Transformatorausgänge bewirkt werden, um auf diese Weise zwischen den Sekundärspannungen eine Unsymmetrie hervorzurufen und so den Unterschied in den Leistungen noch zu ver-

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stärken. In'gleicher Weise kann man aen Widerstand der zentralen Phase verändern, indem man beispielsweise die länge des UTiederspannungskreises dieser Phase verkürzt oder zusätzliche Induktionsspulen vorsieht.

Die Erfindung kann bei allen Lichtbogenofen Verwendung finden, ihre Vorteile machen sich jedoch am deutlichsten bemerkbar, v/enn die !Temperatur der Metallschmelze in dem Schmelzofen etwa auf der Liquidus-Temperatur gehalten wird«

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in sehematischer Weise dargestellt,, Es zeigen

I^?ig. 1 einen Schmitt in waagerechter Ebene durch einen !lichtbogenofen, aus welchem insbesondere die läge der Abflußleitung und die Anordnung der Elektroden ersichtlich ist?

j?ig. 2 einen senkrechten Schnitt durch die gesamte Anordnung der beiden mittels einer Überlaufleitung miteinander verbundenen öfen.

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Der Schmelzofen besteht aus dem Behälter 1, in welchem drei Elektroden 2, 3 und 4 im Dreieck angeordnet sindO Der Behälter 1 weist eine Abschlackrinne 5 und eine

die
Leitung 6 auf, durch die Schmelze aus dem Schmelzofen

ausfließt und in den in Fig«, 2 dargestellten zweiten P Ofen fließt» V/ie schon oben ausgeführt wurde, sind die drei an den drei Elektroden liegenden Phasen nicht in Symmetrie, so daß von der einen, an der sogenannten "wilden Phase" liegenden Elektrode eine wesentlich größere elektrische leistung freigesetzt wird. Diese Elektrode trägt in der figur die Hinweisziffer 4. Der in der liähe dieser Elektrode 4 angeordnete Überlaufkanai 6 befindet sich somit in einer Zone, in der die Wärmestrahlung dieser Elektrode die größte Intensität auf-. weist* Der ÜJeil der Ofenwandung, der im Bereich dieser Strahlungszone liegt sowie der aus feuerfestem Werkstoff bestehende tiberlaufkanal werden somit auf eine gegenüber dem übrigen Öfen höhere ^temperatur gebracht«. Das Metall, das mit diesen flächen in Berührung kommt, nimmt diese höhere ÜJemperatur an, so daß gerade die durch den Kanal 6 abfließende Metallschmelze eine höhere (Temperatur aufweist als die im Schmelzofen gebildete Schmelze, da diese sich stets im !Wesentlichen infolge der Anwesenheit ungeschmolzener feststoffe auf der Mquidus-Oiemperatur befindet,

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In den allermeisten Fällen, in denen in dera Schmelzofen eine Schlacke 7 erzeugt wird, wie dies in Figo 2 dargestellt ist« ist die Überlaufleitung 6 nach oben durch eine Trennwand 8 aus feuerfesten) Yferkstoff begrenzt, deren Aufgabe es ist, die Schlacke in dem Schmelzofen zurückzuhalten und deren unteres Ende in die Schmelze eintaucht· Pig. 2 zeigt, daß .trotz des Vorhandenseins einer Schlackenschioht die Schmelze durch die Strahlung der "wilden Phase" aufgeheizt wird, wenn'die Abflußleitung sich in der Nähe der Elektrode 4 befindet. Die Strahlung dieser Elektrode trifft auf die Wandung 1o des Ofens und die !Trennwand 8. Diese taucht in das Metall 9 ein, die eine niedrigere, in der Nähe der Liquidus-Teinperatur liegende Temperatur als die Trennwand 8 aufweist, so daß von dieser ein Wänaestrom in die Schmelze fließt. Die aus dem Schmelzofen abfließende Schmelze wird somit auf eine wesentlich höhere Temperatur als die Liquidus-Temperatur gebracht, so daß die Gefahr einer Erstarrung der Schmelze in der Überlaufleitung vermieden wird.

In den Pig. 1 und 2 ist ein Ausfiihrungsbeispiel gezeigt, bei welchem Seile des Ofens aus feuerfestem Werkstoff

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bestehen, der eine verhältnlsinäßig hohe Wärmeleitfähig keit aufweist, um den Würmsabfluß nach der Metallschmel ze su VQX'größeru. Bei einem solchen Ausführungsbeispiel empfiehlt es sich, die V.'äraievörluate nach dem Außenraura zu begrenzen und den Wärüeuberyaaß auf die übrigen Td-Ie der Ofenauskleidung ?,u vermeiden. Su diesem Zweck werden, wie au α Pifcv * ersichtlich ist, Kwiacheu die Teile 11 TRit hoher V/er^cleitfiibigkeit und <3on übrJßcn. V/anüteilea des Ofeas isolierende Zv/ischenschichten 12. aus einem Werkstoff mit geringer V/äruieleitfähigkeit angeordnet. Ein Außenmautel 13 aus demselben V/erkßtoff verringert die Wärmeverluste nach dem Außenraum. Fig. 2 zeigt die Anordnung dieser einzelnen Wandteile bei einem Ausführungsbeispiel, bei welchem zwischen den beiden öfen

eine Trennwand 8 vorgesehen ist. Man erkennt hieraus, daß die von den Wandteilen mit hoher Wärmeleitfähigkeit aufgenommenen Kalorien nicht auf die übrigen Wandteile des Ofens übergehen können, da sie hieran durch die Wärtnedämmsehichtsn 12 gehindert sind. In gleicher Weise ist die Abstrahlung nach dem Außenraum durch die wärmedämmende Mantelßchicht 13 vermieden.

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Der einzige vrärtaeaustausch kann eorait an der Oberfläche

der Metallschmelze-bzw.---an der Berüiirungsf lache mit der ,V Ü0983W 1227 -·,

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erfolgen

Trennwand 8/und zwar aufgrund der höheren Wärmeleitfähigkeit dieser Teile in einem gesteigerten Maß, so daß die Temperatur der Metallschmelze in beträchtlichem Maße angehoben v/ird.

Bs ist offensichtlich, daß die Verstopfung der Überlaufleitung 6 bei einer Anordnung, wie sie Fig, 2 zeigt, sich sehr nachteilig auswirken wird, da nicht nur der kontinuierliche Betrieb unterbrochen, sondern auch die Öfen entleert, die Überlaufleitung zerstört und durch eine neue ersetzt werden müßte.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, daß durch diese Anordnung der Abflußleitung der vorzeitige Verbrauch, des Futters eines solchen kontinuierlich betriebenen Liclitbogenofens vermieden wird. Es hat sich gezeigt, daß bei Öfen, die die erfindungsgemäße Anordnung nicht auf v/eisen, die in der unmittelbaren üT&chbarschaft der an der "wilden Phase" liegenden Elektrode gelegenen V/andteile aus feuerfestem V/erkstoff infolge der andauernden Strahlungsbeaufschlagung und des dementsprechenden großen Kalorienüberganges überhitzt werden, wodurch ein vorzeitiger Verbrauch dieser Teile

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des Futters hervorgerufen wurde. Demgegenüber entzieht bei dem erfindungsgemäßen Ofen das aas dem Schmelzofen mit verhältnismäßig niedriger Temperatur ausströmende Metall durch seine Erwärmung den von der Metallschmelze bespülten Wandteilen dee Ofens dauernd eine so große Wärmemenge, daß die Temperatur dieser Wandteile gesenkt und dadurch die Abnutzung bzw. der Verbrauch, des Futters nachhaltig verringert wird. Dieses Ergebnis ist insbesondere deshalb von besonderer Bedeutung, weil es auf diese V/eise möglich ist, die Netall- tjsw. ,Stahlproduktion einer solchen Anlage dadurch wesentlich zu steigern, daß die Zeitdauer der Verwendung einer Ofenauskleidung verlängert wird und Totzeiten dadurch verringert werden.

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   · !lichtbogenofen zum kontinuierlichen Schmelzen von festen Stoffen* mit senkrecht angeordnetem Elelrtroden, der mit einem zweiten Ofen über einen Kanal verbunden ist» durch den die Schneise in den «weiten Ofen fließt, dadurch |iHnii· Ie hne t , daß dl· in der Wandung des Sohaelaofene (1) vorgesehene öffnung 4·· «ie Xnaenrttusa« ter beide» Ofen verbindenden Kanal· (6) in einer Wan&aone angeordnet ist, in der die Wärmestrahlung der Elektrode (4) alt der größten elektrischen Leistung die größte Aufheisung bewirkt.
2. 2. Liehtbofenofea nftok Aa*pmeH 1, dadurch gekennzeichnet , daß der den Kanal (6) begrenzende und die die öffnung des Kanals umgebende Wandsone (10) bildende feuerfeste Werkstoff eine höhere thermische Wärneleitföhigkeit aufweist als die das übrige Ofenfutter bildenden Werkstoffe.

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3. 3. Lichtbogenofen nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die aus dem feuerfesten -Werkstoff mit höhererWänneleit~ fähigkeit bestehenden Teile gegenüber dem Außenraum und der übrigen Ofenauskleidung durch Wandteile (12, 13) abgeschirmt bzw„ isoliert sind, die eine geringere Wärmeleitfähigkeit aufweisen·
4. Lichtbogenofen nach den Ansprüchen 1 bis 3· d a d u r c h. g e k e η η ζ e i c h η e t , daß der die beiden öfen miteinander verbindende Kanal (6) nach oben mittels einer senkrechten Zwischenwand (8) begrenzt ist, dessen unteres Ende in die Metallschmelze (9) eintaucht, und diese Trennwand (8) aus feuerfestem Werkstoff besteht, dessen Wärmeleitfähigkeit größer ist als diejenige der das Ofenfutter bildenden feuerfesten Stoffe·
5. 5. Lichtbogenofen nach den Ansprüchen 1 bis 4, d a -. durchgekennzeichnet, daß der die Elektroden (2, 3» 4) speisende Stromkreis Mittel aufweist, die zwischen den Phasen der durch die Elektroden fließenden Ströme eine Unsymmetrie hervorrufen

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   und auf diese Weise die leistung derjenigen Elektrode (4) vergrößern, die der Stelle des Überlaufkanalea (6) am nächsten gelegen ist«

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